Влияние волнового эффекта на предел прочности волокна при испытаниях композитного материала на растяжение

Введение. В исследованиях применялись композитные материалы, широко используемые в строительстве. Использовались образцы различной толщины из многослойных материалов, содержащие непрерывные, длинные, короткие волокна и волокна, образующие ткань. Количество слоев наполнителя соответствовало сопротивляемости приложенным нагрузкам. Использовались волокна из стекла, углерода, кевлара или их комбинации в сочетании со связующими. Связующие материалы предназначены для развития адгезионной связи между волокнами, защиты их от окружающей среды и распределения нагрузки. В качестве связующих применялись изотропные материалы, такие как эпоксид, полиэстер и виниловый эфир [1].

Себестоимость изделий из полимерных композитов в основном зависит от стоимости ингредиентов и количества технологических этапов изготовления. Нарушения технологических регламентов приводит к отклонениям от требуемой структуры материала, образованию разного рода дефектов, в том числе реализуется волнистая форма волокон (рис. 1), нарушается однородность гетерогенной структуры. Все это приводит к ухудшению комплекса физико-механических свойств композита [2].

Зона, богатая смолами

Рис. 1. Нарушения структуры композита в виде волнистой ориентации наполнителя и локальной концентрации связующего

Многие недостатки армированных композитов в большой степени связаны с наличием примесей и раковин в изделии. Раковины образуются в процессе отверждения связующего, которое изначально находясь в вязко-текучем состоянии транслировало газовые включения в виде пузырьков в объем композита в процессе свободной заливки формы. Неоднородность концентрации волокон и связующего в объеме материала возникает из-за наличия функциональных добавок или дополнительного наполнителя, например, песка (рис. 2).

Машиностроение и машиноведение

Рис. 2. Сечение композитного материала, содержащего пузырьки

На рис. 3 показано, что волновая ориентация волокон может располагаться в плоскости ткани, по структуре аналогичной фиброзной, а также в плоскости сплетенных волокон. Эти волокна обеспечивают стабильность структуры при транспортировке, обработке, а также облегчают технологическую проницаемость слоёв композитных материалов. Это позволяет соединять волокна в группы продольно или перпендикулярно друг к другу [3], что не препятствует образованию небольших волн в ткани.

а )                                                              б )

Рис. 3. Волновая ориентация волокон в плоскости слоя: а ― разрез композита; б ― пространственная структура

Пространственные волновые структуры (рис. 4) реализуют с помощью текстильного оборудования. Эти структуры способны принимать конечную форму продукта, изготовленного из композитного материала. Затем такую структуру пропитывают связующим и формуют изделие одним из известных способов.

Рис. 4. Образцы волоконных структур трехмерного плетения

В [4, 5] описывается метод испытаний пространственных волоконных конструкций с различными компонентами и при наличии дефектов. Образование волновой конфигурации волокон в таких материалах может оказывать как отрицательное, так и позитивное влияние на свойства композитных материалов. В [6] проводится теоретический и практический поиск нелинейного поведения композитных материалов, армированных однонаправленными волокнами, в которых наблюдаются волны, возникающие под действием растягивающих нагрузок и давления.

Цель исследования. Целью данного исследования является изучение влияния волн на предел прочности при растяжении композитного материала, состоящего из полиэстера и стекловолокна, проведение анализа возникающих напряжений и изучение разрушения образца вследствие различных факторов.

Аналитическое исследование. Композитный материал с длинноволокнистым наполнителем может выдержать большую нагрузку, действующую вдоль волокон, что следует из рис. 5, а . Однако нагрузка, не соответствующая направлению волокон, распределяется между ними и связующим. Эта нагрузка зависит от угла между направлением ее действия и направлением ориентации волокон. Для определения напряжений, действующих перпендикулярно к волокну и вдоль него, авторы использовали координаты, получаемые поворотом общих координат х-у-z на угол 9 вокруг оси z [7] ( рис. 5, б) .

а )

б )

Рис. 5. Координаты пластин материалов: а — с прямыми волокнами, б — с волокнами под углом

Если бесконечно малый объемный элемент (рис. 6, а ) извлечь из общих координат и повернуть на угол θ, то, используя уравнения (1), (2) и (3), можно определить нормальные и касательные напряжения, развиваемые в новом положении (рис. 6, б ) [8]:

О" / _ ax+a- + ax ay ^s 26 ^    sin 26, х       2         2                ху        > тх/у/ _ - ^—^- sin 26 + тху cos 26, a / = а-^— + °х °у cos 26 - тху sin 26.

^у        2        2                ^ху

а )                          б )

Рис. 6. Напряжения, развиваемые в элементе бесконечно малого объёма: а ― в общей системе координат, б ― в системе координат под углом

В случае волновой конфигурации волокон напряженное состояние материала наиболее опасно при максимальном значении угла ( 9_max), так как нормальные напряжения ориентируются перпендикулярно слою армирующего наполнителя. Если рассмотреть бесконечно малый элемент в таком состоянии (рис. 7), то, вычислив значения напряжений из уравнений (1), (2), (3) и сравнив их значения, можно установить причины разрушения образца.

Машиностроение и машиноведение

Материалы и методы исследования. Изучалось влияние волнового эффекта на предел прочности при растяжении в соответствии со стандартом ASTM D 638-90 [9]. Испытанию подвергались образцы листовой формы из полимерных композитов, содержащих армирующий наполнитель (стекловолокно) и связующее (полиэстер), содержание отвердителя составляло 2 % от общего объёма. Образцы изготавливали методом свободного формования [10], при этом использован шаблон, состоящий из стеклянных пластин с размерами 38x25x6 мм, который вмещал 10 слоев стекловолокна, а в качестве буфера для предотвращения адгезии применяли прослойки из целлофана. В процессе формования использовали небольшую вибрацию в течение пяти минут. Выдержка для отверждения в форме ― 24 ч. Выдержка для стабилизации структуры и свойств образцов в свободном состоянии перед испытаниями ― 25 суток. С помощью специальных плат были изготовлены образцы без волнистости и с волновой ориентацией наполнителя. Причем последние отличались друг от друга по амплитуде волн. На рис. 8 показано образование волн в одиночной плате.

Рис. 8. Образование волн в одиночной плате

Результаты и обсуждение. Проведены испытания на растяжение образцов с волокнами без волнистости и с волокнами, имеющими синусоидальную форму полуволны, при углах их наклона: 9_макс = 10°, 18°, 22°, 28° и 38°. Установлена стабильность результатов испытания путем их взаимного сравнения для образцов без волнистости наполнителя, изготовленных на пяти различных платах. На рис. 9 показана кривая изменения напряжений при растяжении с изменением угла наклона волокна. При этом напряжения при растяжении σ max для материала с безволновыми волокнами составили 250 МПа.

Рис. 9. Зависимость максимальных напряжений при растяжении σ max , МПа, (на вертикальной оси) от угла наклона волокна θ max

Используя уравнения (1) и (3) рассчитаны нормальные и касательные напряжения, действующие перпендикулярно волокнам, а также напряжения слоистого материала при сдвиге по уравнению (2).

В результате анализа зависимостей для характерных напряжений при растяжении в координатах точки с углом наклона волокна θ max и исследования сечения в месте разрушения образцов (рис. 11) установлено, что причиной разрушения является напряжение сдвига т_жу. Сравнение этого напряжения с максимальным напряжением при сдвиге образца из полиэстера без волокон приведены в [10]. При этом предел текучести (σ_т) был принят равным 70 МПа. С помощью уравнения (2), которое позволяет компенсировать угол наклона 9 = 45°, нашли, что значение напряжения сдвига полиэстера τ_ху = 35 MПa. Это и есть напряжение, которое впоследствии явилось причиной разрушения всех образцов. Уравнение (2) позволяет определить деформацию образцов в точке разрыва, а также даёт отображение деформаций и угловых смещений, доказывающих, что разрушение слоистого материала является следствием напряжений сдвига.

Рис. 11. Рефракция в сечении разрушения

Заключение. Исходя из результатов исследований можно сделать следующие выводы:

• 1.    Напряжения при растяжении композитного материала уменьшаются с увеличением угла наклона волокон в определенных зонах. Полученный результат показал совпадение с исследованиями, проведёнными ранее [11, 12].

• 2.    Установлено, что разрушение всех волокнистых образцов происходило при достижении напряжения сдвига, примерно равного напряжению сдвига, при котором разрушались образцы, изготовленные только из связующего. Это согласуется с [13, 14], данные различались лишь в отношении напряжений, развивающихся в связующем материале.

• 3.    При разрыве образца форма разрушения имеет вид, аналогичный разрушению при сдвиге, причём в момент разрушения прямоугольный объект, деформируясь под углом, принимал форму параллелограмма.

• 4.    Рекомендуется продолжить исследования в данной области, основными целями которых должны быть изучение влияния меньших углов пульсации волокна на предел прочности на разрыв композитного материала, а также изучение влияния волнового эффекта на коэффициент гибкости.